安科瑞 陳聰

摘要：為了引導電動(dòng)汽車(chē)有序充電，提出了一種考慮負荷時(shí)空均衡和彈性響應的電動(dòng)汽車(chē)快充電價(jià)定價(jià)策略。引入交通流理論描述交通路網(wǎng)，建立電動(dòng)汽車(chē)快充負荷時(shí)空分布模型；考慮配電網(wǎng)調度和電動(dòng)汽車(chē)快充負荷的彈性需求，構建源-荷互動(dòng)下的快充電價(jià)定價(jià)架構，并基于潮流追蹤法從時(shí)空雙維度推導快充電價(jià)的計算方法；在此基礎上，計及電動(dòng)汽車(chē)負荷彈性響應特性，以提升配電網(wǎng)的負荷均衡性為目標，建立快充電價(jià)定價(jià)策略，并通過(guò)迭代算法求解該定價(jià)策略。算例仿真結果表明，所提定價(jià)策略能夠有效引導電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行有序快充，激勵電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)與配電網(wǎng)友好互動(dòng)，提升負荷的時(shí)空分布均衡性。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；時(shí)空分布；快充電價(jià)；交通流；負荷均衡；彈性響應；源-荷互動(dòng)；配電網(wǎng)

0引言

近年來(lái)，因為政策、成本、電池性能等利好因素，電動(dòng)汽車(chē)（electricvehicle，EV）正在大規模普及。據公安部統計數據，截至2022年上半年，我國純EV保有量已突破810.4萬(wàn)輛［1］。一方面，大規模接入電網(wǎng)的EV的無(wú)序充電行為（特別是隨機快充行為），會(huì )對配電網(wǎng)的安全運行產(chǎn)生較為明顯的影響，導致負荷分布不均勻、電壓越限、線(xiàn)路阻塞、電能質(zhì)量惡化等問(wèn)題，影響配電網(wǎng)的安全穩定運行。另一方面，EV快充負荷具有時(shí)空靈活性，存在負荷需求彈性響應，可以通過(guò)合理的電價(jià)機制引導EV有序充電。

由于EV具有交通屬性，交通路網(wǎng)的運行狀態(tài)會(huì )影響EV的出行-充電行為，進(jìn)而影響其快充負荷的時(shí)空分布，因此對EV快充負荷的引導需考慮交通流對用戶(hù)出行-充電行為的影響。采用“速度流量”模擬EV的交通行駛特性，建立了“車(chē)-路-網(wǎng)”融合架構，分析了EV用戶(hù)的充電行為?；趧?dòng)態(tài)交通信息，從單體EV移動(dòng)特性出發(fā)，考慮動(dòng)態(tài)交通信息對EV充電行為的影響，模擬了區域EV充電負荷的時(shí)空分布。上述研究大多由單體EV充電模型通過(guò)簡(jiǎn)單疊加擴展至群體EV充電負荷，忽視了交通路網(wǎng)中出行者之間的相互博弈作用對EV出行-充電行為的影響。針對該問(wèn)題，部分研究引入交通均衡理論模擬出行者在路徑規劃和充電決策中存在的相互影響。以EV通行時(shí)長(cháng)、充電時(shí)長(cháng)和充電費用為目標規劃充電路徑，建立了含EV和燃油汽車(chē)的混合交通流均衡模型，以模擬EV快充負荷規模，但只考慮了單一時(shí)間斷面上的交通均衡狀態(tài)。進(jìn)一步地，考慮余流現象，建立了多時(shí)段的半動(dòng)態(tài)交通均衡模型。

在此基礎上，通常采用改變充電電價(jià)的方法來(lái)影響EV的出行-充電行為，進(jìn)而改善EV快充負荷的時(shí)空分布均衡性?？紤]EV在時(shí)間維度上具有需求響應特性，制定具有時(shí)間屬性的電價(jià)可以引導用戶(hù)對充電時(shí)段的選擇，減小配電網(wǎng)負荷峰谷差。在傳統峰谷分時(shí)電價(jià)的基礎上，提出了計及EV負荷特性的動(dòng)態(tài)分時(shí)定價(jià)策略來(lái)平抑負荷峰谷差，即根據前一個(gè)時(shí)段的電價(jià)、負荷水平、日平均負荷數據，制定后一個(gè)時(shí)段的電價(jià)。在傳統分時(shí)電價(jià)和實(shí)時(shí)電價(jià)的基礎上，考慮電網(wǎng)側的調峰需求和用戶(hù)側的需求響應意愿，提出了一種分時(shí)電價(jià)優(yōu)化方法，即根據EV接入電網(wǎng)后的負荷信息對電價(jià)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。

時(shí)間維度上的電價(jià)策略主要針對EV到達目的地后進(jìn)行慢充的充電場(chǎng)景，不適用于EV在途中充電需求的引導。部分研究通過(guò)制定具有空間屬性的節點(diǎn)電價(jià)來(lái)引導用戶(hù)對充電站點(diǎn)的選擇，發(fā)掘EV的空間需求響應能力。以改善配電網(wǎng)的供電電壓偏差指標——節點(diǎn)關(guān)鍵度為優(yōu)化目標，提出了計及配電網(wǎng)電能質(zhì)量及用戶(hù)響應特性的充電服務(wù)費制定方法，其中充電服務(wù)費的制定需要滿(mǎn)足快充站（fastchargingstation，FCS）總效益維持不變和可行區間約束。提出了基于虛擬負荷和充電站利用率均衡的充電站定價(jià)策略，其定價(jià)思路主要是根據每座充電站的虛擬負荷與所有充電站平均虛擬負荷之間的差值，優(yōu)化各座充電站的充電電價(jià)，從而能夠均衡充電站的利用率。

然而，上述充電定價(jià)策略側重于考慮EV負荷側的靈活響應，從充電站利益或電網(wǎng)安全性的角度研究充電電價(jià)的制定，忽略了配電網(wǎng)“源”的特性，而通過(guò)源-荷互動(dòng)形式可以改善配電網(wǎng)的負荷不均衡，優(yōu)化負荷曲線(xiàn)。為了充分調度電網(wǎng)側的靈活性資源，引入配電系統運營(yíng)商，其主要職責包括調度所轄配電區域內的分布式電源（distributedgeneration，DG），并發(fā)布充電電價(jià)信號以激勵EV用戶(hù)自發(fā)響應，實(shí)現EV用戶(hù)與配電網(wǎng)電源的互動(dòng)，引導充電負荷合理分布，供需雙方利益，同時(shí)提高配電系統整體的運行安全性。

因此，本文首先通過(guò)半動(dòng)態(tài)交通流分配模型模擬EV的行駛路徑和充電決策，從而模擬多時(shí)段的EV快充負荷分布；然后，結合EV負荷的彈性響應和DSO電源出力調度，提出源-荷互動(dòng)定價(jià)架構，并基于潮流追蹤法分別從時(shí)間和空間維度推導電價(jià)的計算公式；進(jìn)一步地，提出了考慮負荷均衡和彈性響應的快充電價(jià)定價(jià)策略。

1源-荷互動(dòng)下的快充電價(jià)定價(jià)模式

在出行過(guò)程中，當EV的電池電量無(wú)法支撐其到達目的地或電池電量低于閾值時(shí)，EV用戶(hù)產(chǎn)生快充需求。假設EV用戶(hù)可以通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統獲取交通路網(wǎng)的道路車(chē)流量、FCS車(chē)流量及充電電價(jià)信息，交通均衡理論已經(jīng)描述了車(chē)流量對用戶(hù)出行路徑選擇的影響。因此，本章首先分析充電電價(jià)對用戶(hù)充電決策的引導機理，將DSO和FCS視作一個(gè)整體，由配電網(wǎng)調度機構整體調整FCS的充電電價(jià)，提出了一種DSO與EV用戶(hù)互動(dòng)的定價(jià)模式，并基于潮流追蹤法推導了具有時(shí)空雙維度的充電電價(jià)生成方法。

2.1充電電價(jià)對EV充電決策的引導機理

1）充電站點(diǎn)的選擇。

對于同一時(shí)段內充電電價(jià)不同的充電站而言，根據EV用戶(hù)的路徑出行成本式（18），如果低充電電價(jià)的充電成本加上繞路時(shí)間成本仍小于高充電電價(jià)的充電成本，則用戶(hù)會(huì )選擇繞路充電，從而實(shí)現EV快充負荷的空間轉移。

1. 出行時(shí)刻的選擇。

與傳統燃油汽車(chē)相比，EV具有出行彈性需求。EV的出行、充電需求受到充電時(shí)間和充電價(jià)格的影響，EV有可能為了避免漫長(cháng)的充電排隊時(shí)間或高昂的充電費用而主動(dòng)改變出行時(shí)刻，使得EV出行需求時(shí)段和充電負荷發(fā)生轉移。出行彈性需求描述了EV出行需求根據快充網(wǎng)絡(luò )不同時(shí)段的電價(jià)進(jìn)行彈性調節的規律。負荷維持均衡狀態(tài)。

2.3具有時(shí)空特性的充電電價(jià)生成方法

在源-荷互動(dòng)定價(jià)模式下，充電電價(jià)對EV充電決策的引導包括充電站點(diǎn)選擇（空間屬性）、出行時(shí)刻選擇（時(shí)間屬性），因此，有必要提出一種具有時(shí)空特性的充電電價(jià)生成方法。隨著(zhù)新型電力系統的發(fā)展，配電網(wǎng)從純無(wú)源的受端系統逐漸轉變?yōu)楹珼G的有源系統，因此考慮配電網(wǎng)“源”的靈活特性的電價(jià)制定需要反映電力資源在時(shí)空中的真實(shí)供需價(jià)值成本，體現電能的時(shí)間價(jià)格信號、空間位置價(jià)格信號。提出了一種基于潮流追蹤法的輸電網(wǎng)成本分攤方法，本文將其應用到配電網(wǎng)層面，形成具有時(shí)空屬性的配電網(wǎng)節點(diǎn)成本電價(jià)。配電網(wǎng)節點(diǎn)成本電價(jià)由具有時(shí)間價(jià)格信號屬性的發(fā)電成本、具有空間位置價(jià)格信號屬性的配電線(xiàn)路成本兩部分組成。

1. 發(fā)電成本部分。

DSO可調度的電力資源包括從上級ISO購電和所轄區域內的DG。將配電網(wǎng)內的購電節點(diǎn)和DG均視作發(fā)電節點(diǎn)，由此根據潮流追蹤法可以推導得到節點(diǎn)成本電價(jià)中的發(fā)電成本分量。

1. 配電線(xiàn)路成本部分。

利用潮流跟蹤法將配電網(wǎng)線(xiàn)路的固定成本公平合理地分攤到各節點(diǎn)，得到節點(diǎn)配電線(xiàn)路成本。

2安科瑞充電樁收費運營(yíng)云平臺系統選型方案

2.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地數據采集和監控，實(shí)時(shí)監控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢(xún)等。同時(shí)對充電機過(guò)溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶(hù)通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

2.2應用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

2.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網(wǎng)絡(luò )傳輸層、數據層和客戶(hù)端層。

2）數據采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進(jìn)行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡(luò )傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )將數據上傳至搭建好的數據庫服務(wù)器。

4）數據層：包含應用服務(wù)器和數據服務(wù)器，應用服務(wù)器部署數據采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數據服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶(hù)端層：系統管理員可在瀏覽器中訪(fǎng)問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費平臺。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實(shí)時(shí)監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時(shí)為運維人員提供運維APP，充電用戶(hù)提供充電小程序。

2.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

2.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數、充電時(shí)長(cháng)、充電金額、充電度數、充電樁故障等進(jìn)行統計顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

2.4.2實(shí)時(shí)監控

實(shí)時(shí)監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

2.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶(hù)賬戶(hù)，對其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結、注銷(xiāo)等操作，可查看小區用戶(hù)每日的充電交易詳細信息。

2.4.4故障管理

設備自動(dòng)上報故障信息，平臺管理人員可通過(guò)平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運維人員可通過(guò)運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現場(chǎng)問(wèn)題。

2.4.5統計分析

通過(guò)系統平臺，從充電站點(diǎn)、充電設施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢(xún)充電交易統計信息、能耗統計信息等。

2.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營(yíng)商戶(hù)，運營(yíng)商可建立和管理其運營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設施，維護充電設施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線(xiàn)卡用戶(hù)充值、凍結和解綁。

2.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢(xún)流量卡使用情況、查詢(xún)充電\充值情況，進(jìn)行遠程參數設置，同時(shí)可接收故障推送

2.4.8充電小程序

面向充電用戶(hù)使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶(hù)充值，充電卡綁定、交易查詢(xún)、故障申訴等功能。

2.5系統硬件配置

3結論

本文提出了一種考慮負荷時(shí)空均衡和彈性響應的快充電價(jià)定價(jià)策略，所得結論如下：

1. 通過(guò)分析電價(jià)對用戶(hù)決策的引導機理，建立了出行時(shí)段轉移意愿的數學(xué)模型，表明彈性響應量與轉移時(shí)段、敏感系數κ相關(guān)，轉移時(shí)段越小，κ越小，則轉移意愿越強；

2. 利用潮流追蹤法推導節點(diǎn)成本電價(jià)，具有時(shí)空引導屬性，符合配電網(wǎng)前端接受能力越大的特點(diǎn)，有利于引導快充負荷轉移到靠近供電節點(diǎn)的FCS；

3. 基于源-荷互動(dòng)定價(jià)模式架構，提出了快充電價(jià)優(yōu)化模型，采用迭代算法求解可以有效收斂得到快充電價(jià)，該電價(jià)能夠有效提升FCS利用率以及配電網(wǎng)負荷時(shí)空均衡性，有利于配電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行。

本文提出的快充電價(jià)定價(jià)策略假設快充電價(jià)由DSO統一制定，然而，隨著(zhù)充電樁市場(chǎng)的快速發(fā)展，充電站的運營(yíng)主體逐漸市場(chǎng)化。因此，研究FCS的市場(chǎng)運營(yíng)機制將是下一步的方向。

參考文獻：

[1]郭景濤，李磊，陳磊，等.充電樁計量重要性的評價(jià)

[2]郭景濤，魯超，符惠群.考慮負荷時(shí)空均衡和彈性響應的電動(dòng)汽車(chē)快充電價(jià)定價(jià)策略

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版